目前，市麵上的3D打印主要的材料包括：塑料、金屬、陶瓷和生物材料為主。而石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀二維材料（liào），它隻有一（yī）個原子層（céng）厚度，又叫做單原子層石墨。當這些石墨烯層按照（zhào）一定的規律“堆積”起來就形成（chéng）了石墨。今天小編（biān）和大家來談談石墨烯的3D打印研究進展。

 

 

說起石墨烯3D打印技術，不（bú）得不提（tí）的是2013年成立的Graphene 3D Lab公司，短短幾年（nián）該公司就已開發出導電石墨烯（xī）3D打印線材及相關產品（pǐn），順利上市並收購（gòu）其母公司Graphene Laboratories在外發行的所有股份（fèn）。該公司的成（chéng）功，顯示出了石墨烯3D打印領域的市場前景。

 

 

 

石墨烯本身（shēn）的優勢就是質量輕、強度（dù）高、導電性好。而（ér）石墨（mò）烯（xī）3D打印目前主流采用（yòng）的是擠（jǐ）出式3D打印（extrusion-based 3D printing）技術，其核心與關鍵也正是打印過程中所用的漿料（或線材），這需要先獲取石墨烯及其衍（yǎn）生物（氧化石墨烯（xī）等），分散於合適（shì）的高粘度高分子材料或其他溶劑中形成漿料並3D打印成所需三維結（jié）構，待（dài）打印結束後，通過後處理方式（如退火等）提高石墨（mò）烯的（de）還原程度及純度。值得（dé）注意的是，上述3D打印過程獲（huò）取的往往是石墨烯基複合材（cái）料，而添（tiān）加劑會較大（dà）程度的影響石墨烯的（de）性能（如機械強度、導電性等），因此漿料（或線材）的配製方案需要巧妙拿捏，這個配製及打（dǎ）印出來（lái）的（de）結構在不同領（lǐng）域通常也有著不同的要求，下麵針對幾個不同的（de）應用領域舉（jǔ）例說明（míng）。

 

1. 機械（xiè）強度方麵

  

 

 

說到高強度，首先必（bì）提的是前段（duàn）時間（jiān）比（bǐ）較熱門的麻省理工（gōng）學院Markus Buehler團（tuán）隊研究結果，他們利用計算機仿真模型對石墨烯的三（sān）維結構進行仿真，在假設沒有缺陷的情況下對其強度做出的結果顯示，該結構的極限拉伸強度（2.7GPa）可以比普通鋼鐵高10倍。該團（tuán）隊利用3D打印製備的石墨烯三維結（jié）構（如圖3a所示）進（jìn）一步說明了三維結構及石墨烯材料（liào）的優勢，雖然該打印的螺旋二十四麵體（Gyroid）結構（gòu）體積與（yǔ）實（shí）際體積有21個數量級之大，但在一定（dìng）程度上仍印（yìn）證了石墨烯在該領域的前景。美國勞倫斯·利（lì）弗莫爾國家實驗室Marcus A. Worsley團隊也利用3D打印技術獲得石（shí）墨烯微晶格氣凝膠（如（rú）圖3b所示），該打印（yìn）的漿料是（shì）將氧（yǎng）化石墨烯超聲分散於（yú）水中，再混入增強劑（如氣（qì）相二氧化矽（guī）等）獲得，3D打印結束（shù）後在（zài）氮（dàn）氣中1050℃ 高溫退火處理對（duì）氧化石墨烯進行熱還原，並利用化學溶劑刻（kè）蝕掉二氧化矽等物質以獲得純（chún）石墨烯微晶格氣凝膠，該結構與普通塊體石墨烯的機械性能測試結果表明，3D打（dǎ）印的石（shí）墨（mò）烯更具優勢，楊氏模（mó）量值高一個（gè）數量級。

 

2. 電化學儲能方麵

 

除了高機械性（xìng）能外，石墨烯材料其實已在很多功能器件裏得到（dào）應用，一個典型的例子就是（shì）電化學儲能器件（主要包括電池和超級電（diàn）容器），目前三明治結構和平麵型結構是兩個主流構型，Graphene 3D Lab公司就推出（chū）的3D打（dǎ）印石墨烯材料組裝了三明（míng）治結構電池（圖（tú）4），但公（gōng）司沒有透露具體材料參（cān）數及打印細節，據推測該電池材（cái）料中除石墨烯外，還包括（kuò）其他具有電化學活性的物質，而石（shí）墨烯起著很重要的電化學及機（jī）械性能（néng）增強作用。

 

 

 

在工業界以外，很多科（kē）研院所也注意到3D打印技術在電池領域的可行性，伊利（lì）諾伊大學（xué）香檳分校Shen J. Dillon課題組聯合哈佛大學的Jennifer A. Lewis課題組於2013年率（lǜ）先利用（yòng）3D打印技術（shù）打印出微型鋰離子電池器件，隨後在2016年，馬裏蘭大學的（de）Liangbing Hu課題組注意到了石墨烯在這一領域的（de）優勢，他們（men）通過氧化石墨烯的引入，獲得石（shí）墨烯-活性無機材（cái）料（磷酸鐵鋰或鈦酸鋰）基複合（hé）漿料，同樣地，打印（yìn）完成後也采用（yòng）了高溫（wēn）熱處理將氧化石墨烯進行（háng）了還原後處理，所得到的微型電池顯示出不錯的電（diàn）化學性能，這主要得益於石墨烯（xī）較高的電（diàn）導率和比表麵積。可以看到，科研院所與工業領域的公司有著不同的關注點，科研人員更多著眼於未來，關注產品（pǐn）的性價（jià）比及規模（mó）化生產等，比（bǐ）如儲能機理等其它特性在科學方麵的解釋（shì）和探索。

 

3. 高溫加熱器方麵

 

馬裏蘭大學的（de）Liangbing Hu課題組使用3D打（dǎ）印技術製備氧化石墨烯三維結（jié）構，通過碳化還原，得到石墨烯基馬蹄形迷你高溫加熱器（圖5）。當施加電流在這種加熱器上時，該（gāi）加熱器能夠以超快的速度（小於100毫秒）達（dá）到非常高的溫度（大約3000 K,），加熱速率可以達到20,000K/s，而且（qiě）具有（yǒu）優越的穩定性（xìng）（>2000周期，持續保持高溫超過一天沒（méi）有明顯衰減）。團隊成員介紹：“沒（méi）有一種基於金（jīn）屬或者陶瓷的熔爐/加熱器可以達（dá）到這樣高的溫度，因為（wéi）在這樣（yàng）高的溫度下，大部分的金屬都會（huì）溶（róng）解，陶瓷也會分解。” 值得注（zhù）意是，石墨（mò）烯導熱係數高達5300 W·m-1·K-1，高於碳納米管和金剛石，相信3D打印石（shí）墨烯技術在導熱方麵也會很有優勢。

 

 

 

 

4. 生物（wù）醫學方麵 

 

由於其本身較好的機械（xiè）性能與導電性，石墨烯材料在生物醫學方麵也獨具優勢。美國西北（běi）大學Ramille N. Shah和（hé）Mark C. Hersam研究組利用擠出式3D打印技術打印出（chū）石墨烯（xī）與一（yī）種可降（jiàng）解聚（jù）酯（PLG）形成的複合材（cái）料（liào）（信息來（lái）源：[6]），由於其獨特的漿料配方，其中占據較大組分的石墨烯（質量分（fèn）數（shù）達75%）讓打印出來的結構具（jù）有較（jiào）好的電導和機械性能，而剩下的PLG組分是一種具有生物相容性的（de）材料，能夠保證結構柔韌（rèn）性和（hé）穩（wěn）定性。打印精度可達（dá）100微米以下（xià）（打印速度40毫米/秒（miǎo）），打印出來的三維結構被證實可以較穩定（dìng）的應用於（yú）生物醫學方麵，研究團隊往打印的石墨烯基支架上注入了幹（gàn）細胞，最終的結果相當出色。首先，細（xì）胞存活了下來，然後繼續分裂（liè）、增殖並轉化成類似神經（jīng）元的細胞.

 

小結：由於（yú）篇幅受限，還有很多應用領域在此不能一一列舉了。總而言之，雖然石墨烯3D打印技術目前隻（zhī）是處於起步（bù）的研究階段，且很

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